李光輝,何國慶,孫艷霞,郝木凱
(中國電力科學(xué)研究院,北京 100192)
Digital/Physical Hybrid Simulation Method Based on NI-PXI for Hierarchical Control Strategy of Micro-grid LI Guanghui, HE Guoqing, SUN Yanxia, HAO Mukai
(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192,China)
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基于NI-PXI的微電網(wǎng)分級控制數(shù)?;旌戏抡娣椒?/p>
李光輝,何國慶,孫艷霞,郝木凱
(中國電力科學(xué)研究院,北京100192)
Digital/Physical Hybrid Simulation Method Based on NI-PXI for Hierarchical Control Strategy of Micro-grid LI Guanghui, HE Guoqing, SUN Yanxia, HAO Mukai
(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192,China)
0引言
近年來,為解決大電網(wǎng)沒有覆蓋的偏遠農(nóng)牧地區(qū)以及海島地區(qū)供電問題,采用光伏、風電、水電、柴油發(fā)電機、儲能等分布式微源組成的獨立型微電網(wǎng)供電技術(shù)引起了社會和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[1-4]。
本文將建立微電網(wǎng)電壓和頻率的微源定義為組網(wǎng)單元,目前,根據(jù)微電網(wǎng)組網(wǎng)單元構(gòu)成方式的不同,微電網(wǎng)的運行控制分為主從控制[5-8]、對等控制[9-10]及分層控制[11-15]3種。主從控制受組網(wǎng)單元單機容量限制,制約了微電網(wǎng)的供電規(guī)模。對等控制根據(jù)有無互聯(lián)通信線分為有互聯(lián)通信線的集中對等控制和無互聯(lián)通信線的分散對等控制,集中控制受通信速度的限制,不適用于地理分布較為分散的多微源組網(wǎng)系統(tǒng)。分散控制采用微源下垂控制技術(shù),對供電系統(tǒng)電壓和頻率實現(xiàn)的是一種有差控制,在系統(tǒng)功率偏差波動較大時,無法保障系統(tǒng)的供電質(zhì)量,同時無法兼顧系統(tǒng)內(nèi)多個儲能單元荷電狀態(tài)(stage of charge,SOC)的安全協(xié)調(diào)運行。
文獻[11]提出了基于下垂控制微電網(wǎng)的分級控制策略,但是其三級控制思想是根據(jù)換流器的控制目標劃分的,沒有考慮整個微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。文獻[14-15]只具體介紹系統(tǒng)電壓和頻率的一級控制和二級控制,并未詳細介紹基于電壓源型微源下垂特性如何實現(xiàn)供電系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度。
目前,研究微電網(wǎng)分級控制理論仍停留在Matlab/Simulink和PSCAD/EMTDC等離線仿真水平,其仿真精度與實際物理系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)特性相比存在一定差距。有待提出一種數(shù)字物理相結(jié)合的數(shù)?;旌戏抡婕夹g(shù)對控制策略進一步加以驗證。
目前,分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)?;旌戏抡嬷饕譃榭焖倏刂圃?rapid control prototype, RCP)仿真[16]和硬件在環(huán)(hardware in the loop,HiL)仿真[17]兩種形式。文獻[16]中的數(shù)模仿真將控制模型完全建立在仿真器中,在增大建模復(fù)雜程度的同時降低了系統(tǒng)抗干擾能力;文獻[17]中的數(shù)模仿真主要用于測試控制器性能指標,無法實現(xiàn)對控制策略的開放式靈活修改。
本文針對多電壓型微源組網(wǎng)的獨立型微電網(wǎng),首先提出了基于微源下垂控制的微電網(wǎng)分級控制框架,通過微電網(wǎng)一級、二級、三級控制,實現(xiàn)微電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。其次設(shè)計了基于NI-PXI(PCI Extensions for Instrumentation,PXI,面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展)的微源分層控制數(shù)?;旌戏抡嫫脚_;利用于NI VeriStand軟件在NI-PXI平臺上進行Simulink實時建模仿真。最后設(shè)計并完成了基于NI-PXI的微電網(wǎng)分級控制數(shù)模混合仿真平臺搭建,并依托該開放式的實驗平臺,對微電網(wǎng)的分級控制技術(shù)進行了驗證。
1基于微源下垂特性的微電網(wǎng)分級控制
1.1微電網(wǎng)分級控制架構(gòu)
本文研究的微電網(wǎng)是以N臺電壓源型微源組網(wǎng)的獨立型供電系統(tǒng),且提到的微源均指組網(wǎng)微源。提出的微電網(wǎng)分級控制框圖如圖1所示。一級控制針對系統(tǒng)內(nèi)秒級功率偏差,通過微源的下垂控制實現(xiàn)就地平衡,同時微源間功率按比例自動分配。二級控制針對系統(tǒng)內(nèi)分鐘級功率偏差,利用微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(micro-grid energy management system,MGEMS)修正微源下垂曲線的空載頻率和電壓,將供電系統(tǒng)的頻率和電壓維持在允許范圍內(nèi)。三級控制針對系統(tǒng)內(nèi)小時級功率與能量偏差,基于系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度功率指令,利用MGEMS修正微源下垂曲線的基點功率及下垂系數(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟運行。
圖1 微電網(wǎng)分級控制框圖
微源的下垂控制是指其有功-頻率(P-f)和無功-電壓(Q-V)輸出特性,由于二者存在對偶特性,因此本文涉及的一、二、三級控制均只介紹P-f控制。
1.2一級控制
供電系統(tǒng)中各微源采用電壓源控制技術(shù),微電網(wǎng)的一級控制是指通過微源輸出電壓相角的控制,實現(xiàn)微源P-f輸出特性,使各微源共同承擔系統(tǒng)內(nèi)有功偏差,實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率控制,P-f下垂特性曲線如圖2所示。
圖2 各微源參與微電網(wǎng)頻率一級控制原理圖
(1)
式中:ωi_ref為微源i輸出電壓頻率的參考值;Pi為微源i實時輸出有功功率。
由圖2可知,系統(tǒng)初始運行狀態(tài)為A,系統(tǒng)頻率為ωA_ref,各微源的有功輸出為PiA。系統(tǒng)有功偏差突增后,運行狀態(tài)過度為B,系統(tǒng)頻率為ωB_ref,各微源的有功輸出為PiB。通過微源就地下垂一級控制,可實現(xiàn)微源間有功功率按比例自動分配,完成系統(tǒng)功率實時就地平衡。
1.3二級控制
由上述分析可知一級控制為有差控制,當系統(tǒng)內(nèi)功率偏差使微源運行點偏離基點功率點較遠時,系統(tǒng)頻率將超出規(guī)定的上下限范圍。因此,為提高微電網(wǎng)的供電質(zhì)量,需要對微電網(wǎng)進行二級控制,將系統(tǒng)的頻率維持在正常范圍。
(2)
(3)
圖3 各微源參與微電網(wǎng)頻率二級控制原理圖
由圖3可知,MGEMS通過監(jiān)控系統(tǒng)定時監(jiān)測供電系統(tǒng)頻率,分兩種情況加以說明。情況1:在達到下一個監(jiān)測周期時,系統(tǒng)頻率運行于B點,則通過MGEMS頻率二級控制修正所有微源下垂曲線,其中微源i如圖3所示將由B點過渡到B′點;情況2:在未達到下一監(jiān)測周期時,系統(tǒng)大幅度功率偏差導(dǎo)致頻率運行于A點超過規(guī)定范圍,監(jiān)控系統(tǒng)向MGEMS上傳頻率二級控制中斷請求,MGEMS頻率二級控制修正所有微源下垂曲線,其中微源i如圖3所示將由A點過渡到點A′。
1.4三級控制
根據(jù)獨立型微電網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度模型,MGEMS可得到各微源日前啟停機計劃和日內(nèi)有功功率調(diào)度計劃[18]。微電網(wǎng)三級控制是指MGEMS將功率調(diào)度計劃轉(zhuǎn)換成各微源的下垂曲線方程,確定各微源在一級控制過程中承擔的功率比例,最終實現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟運行。
為保證供電系統(tǒng)內(nèi)功率偏差在微源間按其基點功率正比分配,可得
(4)
(5)
由圖2可知各微源基點功率運行下頻率相同,本文規(guī)定取50Hz,上述分析可得到一級控制中的下垂曲線方程。
圖4 各微源參與微電網(wǎng)頻率三級控制原理圖
綜上所述,對于由多臺電壓源型微源組網(wǎng)的微電網(wǎng),依托MGEMS的二、三級控制,結(jié)合微源自身的一級控制,可以實現(xiàn)獨立型微電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。
2數(shù)模仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn)
2.1基于NI VeriStand實時建模仿真
以NI-PXI作為面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展,是一種由美國國家儀器公司NI生產(chǎn)發(fā)布的基于PC技術(shù)的測量和自動化平臺[19]。NI-PXI平臺支持實時(real-time,RT)操作系統(tǒng),可作為實時仿真平臺目標機。NI VeriStand是一種配置實時仿真應(yīng)用程序的軟件環(huán)境,能夠從Matlab/Simulink環(huán)境中導(dǎo)入控制算法和仿真模型。本文首先在Simulink環(huán)境中搭建微電網(wǎng)分級控制策略仿真模型,然后通過Windows主系統(tǒng)配置NI VeriStand引擎架構(gòu),完成數(shù)字仿真模型與外部物理接口在NI-PXI上的部署,完成仿真模型對應(yīng)控制代碼自動生成,進而完成基于NI-PXI平臺的實時建模仿真,基于NI VeriStand的數(shù)模物理混合仿真建模流程如圖5所示。
圖5 基于NI VeriStand實時建模仿真流程
2.2微源數(shù)模仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn)
本文提出的微源數(shù)模仿真平臺架構(gòu)如圖6所示,電壓源型微源采用DC/AC換流器拓撲結(jié)構(gòu)。物理平臺主要包括DC/AC主電路以及底層DSP控制器;數(shù)字平臺依托NI-PXI 1045仿真器實現(xiàn)。由圖可見微源的控制部分采用分層設(shè)計,內(nèi)環(huán)通用的V/F控制部分固化在底層DSP控制器,在微電網(wǎng)分級控制建模仿真過程中降低了控制模型復(fù)雜程度,同時DSP與功率變換模塊就近連接觸發(fā),有效提高系統(tǒng)抗干擾能力;外環(huán)控制在開放的NI-PXI實時平臺上建模實現(xiàn),有效提高系統(tǒng)靈活性與開放性。上層數(shù)字平臺與底層物理平臺通過AD板卡PXI-6143和DA板卡PXI-6713標準接口無縫對接,實現(xiàn)平臺的數(shù)字/物理混合仿真。
圖6 基于NI-PXI微源數(shù)模仿真平臺控制框圖
2.3微電網(wǎng)分級控制數(shù)模仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn)
基于上述介紹的微源數(shù)?;旌戏抡嫫脚_設(shè)計方案,本文提出了一種基于NI-PXI的微電網(wǎng)分級控制數(shù)字物理混合仿真平臺設(shè)計方案,如圖7所示,并在國家能源大型風電并網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)(實驗)中心完成該實驗系統(tǒng)的搭建。
該實驗平臺主要由兩臺電壓源型微源、線路阻抗模擬裝置、系統(tǒng)負荷模擬裝置、NI-PXI純數(shù)字實時仿真裝置和電網(wǎng)等幾部分組成。
圖7 基于NI-PXI的微電網(wǎng)數(shù)模仿真平臺系統(tǒng)圖
由圖7可知,本數(shù)模仿真平臺有數(shù)字仿真部分和物理仿真部分,數(shù)字仿真部分通過NI-PXI實時仿真平臺,搭建微電網(wǎng)分級控制策略模型,物理部分主要完成獨立供電系統(tǒng)電源與負荷的暫穩(wěn)態(tài)特性實驗。圖8詳細介紹了微電網(wǎng)頻率分級控制的數(shù)模仿真控制框圖,由圖可知,在Matlab/Simulink環(huán)境搭建微電網(wǎng)頻率分級控制模型,首先根據(jù)頻率三級控制獲取各微源基點功率及下垂斜率;根據(jù)頻率二級控制獲取各微源下垂曲線偏移量;由上述兩級控制即可得到各微源下垂曲線方程。該控制模型生成動態(tài)鏈接庫后,由NI VeriStand完成系統(tǒng)資源配置及實時引擎部署,完成Matlab/Simulink控制模型對應(yīng)控制代碼的自動生成與實時運行,實現(xiàn)與外部物理平臺有效互動,最終完成微電網(wǎng)分級控制數(shù)?;旌戏抡妗?/p>
圖8 微電網(wǎng)頻率分級控制建??驁D
3實驗驗證
為驗證本文提出的微電網(wǎng)分級控制策略有效性,依托該數(shù)模混合仿真實驗平臺對獨立型微電網(wǎng)分級控制策略進行實驗驗證。系統(tǒng)中的微源1和微源2分別采用100kW和30kW的雙向換流器。兩換流器的運行參數(shù)如表1所示。
表1 兩臺微源運行參數(shù)
3.1一級控制實驗
在實驗過程中,系統(tǒng)的無功負荷為3kvar保持不變,有功負荷從7.5kW突變到15kW。系統(tǒng)有功和頻率達到穩(wěn)定后,有功功率保持15kW不變,無功負荷從3kvar突變到9kvar,實驗結(jié)果如圖9所示。
由圖9可以看出,系統(tǒng)有功負荷突增,兩微源輸出的有功功率按照下垂系數(shù)的反比同時上升,系統(tǒng)頻率同步下降。系統(tǒng)無功負荷突增,兩微源輸出的無功功率按照下垂系數(shù)的反比同時上升,兩微源輸出端口電壓同步下降,驗證了微電網(wǎng)一級控制策略的有效性。需要說明的是,由于微源2存在較小的電壓開路控制偏差,導(dǎo)致圖(c)中初始階段的無功功率分配比例存在偏差,隨著系統(tǒng)無功負荷增加,該控制偏差可忽略不計。
圖9 微電網(wǎng)一級控制實驗結(jié)果
3.2二級控制實驗
實驗過程中,系統(tǒng)的有功負荷為15kW,無功負荷為9kvar保持不變,兩微源P-f下垂特性曲線的空載頻率由50Hz突變到50.2Hz。系統(tǒng)的無功和電壓達到穩(wěn)定后,兩微源Q-V下垂特性曲線的空載電壓由380V突變到390V,實驗結(jié)果如圖10所示。
圖10 微電網(wǎng)二級控制實驗結(jié)果
由圖10可以看出,微電網(wǎng)頻率二級控制通過調(diào)整P-f下垂特性曲線的頻率基準值,對下垂特性曲線進行平移,系統(tǒng)頻率隨之改變,兩微源的有功出力均不變。微電網(wǎng)電壓二級控制通過調(diào)整Q-V下垂特性曲線的電壓基準值,對下垂特性曲線進行平移,系統(tǒng)電壓隨之改變,兩微源的無功出力均不變,系統(tǒng)供電質(zhì)量得到了有效改善,驗證了微電網(wǎng)二級控制策略的有效性。
3.3三級控制實驗
實驗過程中,系統(tǒng)有功負荷為15kW,無功負荷為9kvar保持不變,頻率基準值為50Hz,微源1的P-f下垂系數(shù)減小,微源2的P-f下垂系數(shù)保持不變,實驗結(jié)果如圖11所示。
圖11 微電網(wǎng)三級控制實驗結(jié)果
由圖11可以看出,微電網(wǎng)頻率三級控制,改變微源1的P-f下垂系數(shù),系統(tǒng)的有功分配會改變,系統(tǒng)頻率隨P-f下垂曲線及有功功率的分配而改變,上述實驗波形與系統(tǒng)頻率三級控制理論完全對應(yīng)。
4結(jié)論
① 本文針對多電壓源型微源組網(wǎng)獨立型微電網(wǎng)提出的分級控制策略,通過微源的一級就地控制,實現(xiàn)了多微源間功率自動按比例分配,通過MGEMS的二級控制,有效改善了供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量,通過MGEMS的三級控制,實現(xiàn)了供電系統(tǒng)經(jīng)濟運行。
② 本文提出了基于NI-PXI的電壓型微源數(shù)模混合仿真系統(tǒng)方案,基于NI VeriStand的實時建模仿真技術(shù)有效提高控制策略實現(xiàn)的開發(fā)效率,基于NI-PXI的微源分層控制設(shè)計有效提高了數(shù)模仿真系統(tǒng)的可靠性和靈活性。
③ 本文依托國家能源大型風電并網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)(實驗)中心的基于NI-PXI微電網(wǎng)分級控制數(shù)模仿真平臺,開展多電壓型微源組網(wǎng)微電網(wǎng)的分級控制實驗,實驗結(jié)果驗證了控制策略的有效性。
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(責任編輯:楊秋霞)
摘要:針對多電壓源型微源組網(wǎng)的獨立型微電網(wǎng),首先提出了基于微源下垂控制的系統(tǒng)分級控制策略:利用微源一級下垂控制,實現(xiàn)組網(wǎng)微源間功率自動分配;利用MGEMS二級控制修正下垂曲線空載頻率和電壓,提高系統(tǒng)供電質(zhì)量;利用MGEMS三級控制確定下垂曲線基點功率及斜率,實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟運行。其次設(shè)計了基于NI-PXI的微源分層控制數(shù)?;旌戏抡嫫脚_,實現(xiàn)了基于NI VeriStand的實時建模仿真技術(shù)。最后提出了基于NI-PXI的微電網(wǎng)分級控制數(shù)?;旌戏抡嫫脚_整體方案,并在國家能源大型風電并網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)(實驗)中心完成系統(tǒng)搭建,開展微電網(wǎng)的分級控制數(shù)?;旌戏抡鎸嶒?,結(jié)果驗證了控制策略的有效性。
關(guān)鍵詞:微電網(wǎng);分級控制;NI-PXI;數(shù)?;旌戏抡?;下垂控制
Abstract:As to the islanded micro-grid composed of multi-voltage source type micro-sources, a hierarchical control strategy based on the droop control of micro-sources is proposed. On the primary control level, the power of the isolated system is automatically allocated between micro-sources. On secondary control level, the no-load frequency and voltage of droop curve characteristics are adjusted by micro-grid energy management system (MGEMS) to improve power quality. On tertiary control level, the power and droop gain of droop characteristics at rated set point are coordinated by MGEMS to achieve economic operation of micro-grid. A digital/physical hybrid simulation scheme based on NI-PXI (PCI Extensions for Instrumentation, PXI) of micro-sources is proposed, and a real-time modeling and simulation method based on NI VeriStand is realized in this paper. In the end, a digital/physical hybrid simulation platform for hierarchical control based on NI-PXI is built in National Wind Power Grid Integration R&D(Testing)Center, and the validity of hierarchical control strategy is verified based on the digital/physical hybrid simulation experiment for hierarchical control of micro-grid.
Keywords:micro-grid; hierarchical control; NI-PXI; digital/physical hybrid simulation; droop control
作者簡介:李光輝(1984—),男,碩士,工程師,主要研究方向為分布式電源和微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),E-mail:liguanghui@epri. sgcc.com.cn。
收稿日期:2014-07-23
基金項目:國家863課題(2011AA05A106)
文章編號:1007-2322(2015)03-0028-07
文獻標志碼:A
中圖分類號:TM4